Dzięki zaawansowanej akwizycji obrazu i technikom automatycznej korekcji aberracji naukowcom udało się zmierzyć pola magnetyczne w Ba2FeMoO6 z przełomową rozdzielczością 0,47 nm w ramach metody umożliwiającej obserwację nierównych próbek. Tak wysoka rozdzielczość ma kluczowe znaczenie podczas obserwacji zjawisk magnetycznych zachodzących na styku materiałów. Źródło: Toshiaki Tanigaki z Hitachi, Ltd.
Techniki uzyskiwania obrazów i korygowania rozogniskowania umożliwiają obecnie obserwację pól magnetycznych w skali atomowej z niespotykaną dotąd rozdzielczością.
Zespół badawczy z Japonii, składający się z naukowców z Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), Uniwersytetu Kyushu, RIKEN i HREM Research Inc. (HREM), dokonał znaczącego przełomu w obserwacjach pól magnetycznych w niezwykle małych skalach. We współpracy z Narodowym Instytutem Zaawansowanych Nauk i Technologii Przemysłowych (AIST) oraz Narodowym Instytutem Nauki o Materiałach (NIMS) zespół wykorzystał holograficzny mikroskop elektronowy o rozdzielczości atomowej firmy Hitachi wraz z nowo opracowaną technologią akwizycji obrazu i algorytmami korekcji rozogniskowania, aby wizualizować pola magnetyczne poszczególnych warstw atomowych w krystalicznej bryle.
Wiele postępów w urządzeniach elektronicznych, katalizie, transporcie i wytwarzaniu energii stało się możliwych dzięki opracowaniu i przyjęciu materiałów o wysokiej wydajności i dostosowanych właściwościach. Rozmieszczenie atomów i zachowanie elektronów należą do najważniejszych czynników decydujących o właściwościach materiału krystalicznego. Warto zauważyć, że orientacja i siła pól magnetycznych na styku różnych materiałów lub warstw atomowych są szczególnie ważne i często pomagają wyjaśnić wiele osobliwych zjawisk fizycznych. Przed tym przełomem maksymalna rozdzielczość, przy której można było obserwować pole magnetyczne warstw atomowych, była ograniczona do około 0,67 nm, co było rekordem ustanowionym przez firmę Hitachi w 2017 r. przy użyciu najnowocześniejszego holograficznego mikroskopu elektronowego.
Udoskonalenia technologii mikroskopowej
Teraz, dzięki dużemu wspólnemu projektowi, naukowcom udało się jeszcze bardziej przesunąć tę granicę, eliminując kilka kluczowych ograniczeń holograficznego mikroskopu elektronowego firmy Hitachi. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie Natura.
Naukowcy opracowali najpierw system automatyzujący sterowanie i dostrajanie urządzenia podczas gromadzenia danych, znacznie przyspieszając proces obrazowania do prędkości 10 000 obrazów w ciągu 8,5 godziny. Następnie, wykonując określone operacje uśredniania tych obrazów, zminimalizowali szum, aby uzyskać znacznie wyraźniejsze obrazy zawierające wyraźne dane dotyczące pola elektrycznego i pola magnetycznego.
Kolejnym wyzwaniem była korekta drobnego rozmycia ostrości, które powodowało aberracje w uzyskiwanych obrazach. „Pomysł korekcji aberracji po przechwyceniu obrazu jest dokładnie taki sam, jak ten, który zainspirował doktora Dennisa Gabora do wynalezienia holografii elektronowej w 1948 roku. Innymi słowy, metodologia była już teoretycznie ustalona. Jednakże do tej pory nie było wdrożeń technologicznych umożliwiających taką zautomatyzowaną korekcję w holografii elektronowej poza osią” – wyjaśnia główny badacz Toshiaki Tanigaki z firmy Hitachi, Ltd. Zastosowana technika umożliwiła skorygowanie rozogniskowania spowodowanego niewielkimi przesunięciami ostrości poprzez analizę zrekonstruowanych fale elektronowe. Dzięki takiemu podejściu uzyskane obrazy były wolne od resztkowych aberracji, dzięki czemu pozycje i fazy atomów można było łatwo rozpoznać za pomocą pola magnetycznego.
Przełomowe obserwacje i perspektywy na przyszłość
Wykorzystując te dwie innowacje, zespół przeprowadził pomiary holografii elektronowej na próbkach Ba2FeMoO6, warstwowy materiał krystaliczny, w którym sąsiadujące warstwy atomowe mają różne pola magnetyczne. Porównując wyniki eksperymentów z symulacjami, potwierdzili, że przekroczyli wcześniej ustanowiony rekord, udało im się zaobserwować pola magnetyczne Ba2FeMoO6 w niespotykanej dotąd rozdzielczości 0,47 nm. „Wynik ten otwiera drzwi do bezpośrednich obserwacji sieci magnetycznych w określonych obszarach, takich jak granice międzyfazowe i granice ziaren, w wielu materiałach i urządzeniach” – komentuje podekscytowany Tanigaki. „Nasze badanie stanowi pierwszy krok w kierunku zbadania wielu ukrytych zjawisk, których istnienie można odkryć na podstawie konfiguracji spinów elektronów w materiałach magnetycznych”.
Zespół oczekuje, że ich niezwykłe osiągnięcie pomoże w rozwiązaniu wielu wyzwań naukowych i technologicznych. „Nasz holograficzny mikroskop elektronowy o rozdzielczości atomowej będzie używany przez różne strony, przyczyniając się do postępu w wielu dziedzinach, od fizyki podstawowej po urządzenia nowej generacji. Ostatecznie utorowałoby to drogę do urzeczywistnienia społeczeństwa neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla poprzez opracowanie magnesów o wysokiej wydajności i wysoce funkcjonalnych materiałów, które są niezbędne do dekarbonizacji i wysiłków na rzecz oszczędzania energii” – podsumowuje wnikliwy Tanigaki, patrząc w przyszłość .
Tylko czas pokaże, jakie ekscytujące odkrycia i skoki technologiczne czekają na nas w świetle spostrzeżeń zebranych za pomocą ulepszonej mikroskopii holograficznej elektronowej, więc miejcie oko!
Odniesienie: „Obserwacja holografii elektronowej poszczególnych płaszczyzn sieci ferrimagnetycznej” autorstwa Toshiaki Tanigaki, Tetsuya Akashi, Takaho Yoshida, Ken Harada, Kazuo Ishizuka, Masahiko Ichimura, Kazutaka Mitsuishi, Yasuhide Tomioka, Xiuzhen Yu, Daisuke Shindo, Yoshinori Tokura, Yasukazu Murakami i Hiroyuki Shinada, 3 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07673-w
Rozwój mikroskopu elektronowego o rozdzielczości atomowej został wsparty grantem Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki (JSPS) w ramach „Programu finansowania wiodących na świecie innowacyjnych badań i rozwoju w dziedzinie nauki i technologii (program FIRST)” zainicjowanego przez Radę Nauki, Technologii i Innowacji (CSTI). Co więcej, część tych badań była również wspierana przez program „Core Research for Evolutional Science and Technology (CREST)” (JPMJCR1664) JST.
